新材料在數控機床刀具中的應用
2018-8-7 來源： 陜西工業職業技術學院 作者：李宗瑛
摘要: 隨著科技的發展，新材料在數控機床刀具的應用越來越廣泛。選擇合理的刀具材料，是保證加工質量、提高效率、降低成本的有效途徑。該文主要探討了數控機床刀具的特點; 新刀具材料在數控機床的應用，特別是超硬材料領域; W、Co 類涂層和細顆粒( 超細顆粒) 硬質合金材料領域; 含 Co 類粉末冶金高速鋼材料領域的發展。
關鍵詞: 新材料，數控，機床，刀具，發展，應用
數控機床自問世以來，博得了廣大生產企業用戶的青睞。隨著科技的發展，新材料在數控機床刀具的應用越來越廣泛。
1 、數控機床刀具的特點
數控機床刀具的特點是標準化、系列化、規格化、模塊化和通用化。為了達到高效、多能、快換、經濟的目的，對數控機床使用的刀具有如下要求:
( 1) 具有較高 的 強 度、較 好 的 剛 度 和 抗 振 性 能;
( 2) 高精度、高可靠性和較強的適應性;
( 3) 能夠滿足高切削速度和大進給量的要求;
( 4) 刀具耐磨性及刀具的使用壽命長，刀具材料和切削參數與被加工件材料之間要適宜;
( 5) 刀片與刀柄要通用化、規格化、系列化、標準化，相對主軸要有較高位置精度，轉位、拆裝時要求重復定位精度高，安裝調整方便。
2 、新材料在數控刀具的發展應用
2. 1 超硬材料領域
金剛石( 釬焊聚晶、單晶) 各類刀具已迅速應用于高硬度、高強度、難加工有色金( 合金) 及有色金屬 － 非金屬復合材料零部件的高速、高效、干( 濕)式機械切削加工行業中。其概況分述如下:汽車、摩托車行業: 聚晶、人造單晶金剛石面銑刀、鏜刀、車刀、鉸刀、復合( 組合) 孔加工等數控刀具等正大量應用于高強度、高硬度 Si-Al 合金零部件自動生產線上。
竹木地板、家具行業: 聚晶、CVD 厚膜沉積金剛石( 復合片) 立銑刀、三面刃成形銑刀、面銑刀等類刀具正大量應用于高硬度復合竹木地板、家具及門窗等零部件自動生產線上。航空、航天、汽車及電子信息技術行業: 金剛石CVD 薄膜涂層數控刀具( 以整體 W、Co 類硬質合金刀具為主) 多應用于銑削、車削、鉆削、鉸削及锪削加工高強度鋁合金( 鑄、鍛) 、纖維 － 金屬層板、碳纖維熱塑性復合材料、鎂合金、石墨、陶瓷等零部件，滿足高速、高壽命、干式機加工技術要求。
各廠商正不斷地改進金剛石涂層工藝技術，提高金剛石薄膜與刀具基體的結合牢度和致密度。 精細( 超精) 機加工技術領域: 單晶天然、人造金剛石刀具應用于各種精密儀器透鏡、反射鏡、計算機磁盤、復印機( 錄像機) 磁鼓等工件的精細( 超精、納米級) 車削加工。
單晶金剛石刀具還被應用于眼科角膜手術精細切割和印刷制板精細雕刻等行業。各廠商正在不斷改進金剛石各類刀具的刃磨工藝技術、刃磨精度及刃磨效率。
( 1) 表 面 改 性 涂 層 材 料 主 要 有: Ti N、Ti CN、Ti Al N、Al Ti N、Al2O3、Cr N、Zr C、Mo S2、WS2等，采用計算機控制 PVD、PCVD、CVD 涂層工藝技術，將上述涂層材料用于對立銑刀、鉸刀、鉆頭、復合( 組合) 孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、成形拉( 推)刀及各種機夾可轉位刀片的表面改性涂層處理( 基體為高速鋼
、W、Co 類硬質合金、Ti 基類金屬陶瓷) ，滿足高速、高壽命切削加工高強度、高硬度鑄鐵( 鋼) 、鍛鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金、鎂合金、鋁合金、粉末冶金、竹木等材質工件的生產技術不同要求。
刀具表面改性涂層工藝技術對于大幅度提高數控刀具的切削性能，具有成本低、見效快的特點，該工藝技術可根據各種切削加工技術要求，機動靈活地變換涂層材料，工藝技術較優。各廠商正在不斷提高涂層工藝技術、改進涂層材料及開發納米級多功能涂層材料，旨在不斷提高涂層結合牢度、耐 磨 性、抗 沖 擊 韌 性 等，盡 力 擴 大 應 用
范圍。
( 2) Ti 基類金屬陶瓷( Ti CN 系) 各種機夾可轉位車刀、鏜刀、鉸刀、銑刀、復合( 組合) 孔加工數控刀具及整體式立( 球頭) 銑刀、鉸刀等數控刀具正在應用于高強度
、高硬度鑄鐵( 鋼) 合金、鍛鋼合金、淬火鋼合金、耐熱合金、粉末冶金零部件自動生產線上，以滿足高速、高效、硬質、干( 濕) 式精細機加工技術要求。各廠商正采用添加不同的微量元素及燒結工藝技術，研發新型金屬陶瓷材料產品，旨在不斷提高其抗彎強度、抗沖擊韌性、耐磨性。
日本的金屬陶瓷刀具已經占硬質合金刀具總量的 30% ～ 40% 。世界上，該類刀具應用面也呈迅速擴大的趨勢。
( 3) 立方氮化硼聚晶復合片銑刀( 面銑刀、玉米齒立銑刀、球頭立銑刀) 、鏜刀、車刀、鉸刀、復合( 組合) 孔加工等數控刀具( 釬焊、機夾可轉位兩種結構形式) 大量應用于高強度、高硬度鑄鐵( 鋼) 合金、鍛鋼合金、淬火鋼合金、粉末冶金等零部件自動生產線上，滿足高速、高效、硬質、精細機加工技術要求。
( 4) Al2O3、Si3N4基類陶瓷( 晶須增韌類) 各種機夾可轉位車刀、銑刀等數控刀具應用于高強度、高硬度、耐磨鑄鐵( 鋼) 、鍛鋼、高錳鋼、淬火鋼、粉末冶金、工程塑料
、耐磨復合材料等零部件生產線上，滿足高速、高效、硬質、干式機加工技術要求。
目前，各廠商通過對 Al2O3、Si3N4基類陶瓷材料添加不同微量元素及創新生產工藝技術，研發新型中、細顆粒陶瓷材料和功能梯度( 多相) 陶瓷材料產品，旨在不斷提高其抗彎強度、抗沖擊韌性。
2. 2 W、Co 類涂層和細顆粒( 超細顆粒) 硬質合金材料領城W、Co 類細( 中) 顆粒硬質合金基體材料為適應各種表面改性涂層材料的涂覆工藝技術要求添加各種微量元素，滿足于各種機加工工藝技術對可轉位刀片切削性能的要求而發展的; 超細顆粒硬質合金基體材料研發和應用分兩個方面: 在電子、信息技術產業用于加工纖維 － 金屬復合層板材料工件的微型鉆頭、立銑刀，其基體材料向著高韌性方向發展，表面涂覆金剛石薄膜，以增加刀具表面硬度和耐磨性; 模具行業、飛機、汽輪機、汽車等制造行業，用于切削加工高強度、高硬度鑄鐵( 鋼) 、鍛鋼、鋁合金( 鑄、鍛) 、粉末冶金材料工件的整體式立( 球頭) 銑刀、專用擠壓刀具、鉸刀( Φ30mm ＜ 直徑 ＞Φ4mm) 、鉆頭、復合( 組合) 孔加工刀具等數控刀具，其基體材料向著高硬度、高韌性方向發展。一般不涂層，多次重磨使用。
2. 3 含 Co 類粉末冶金高速鋼材料領城以改進制粉、熱壓工藝、添加微量元素創新的粉末冶金高速鋼( 含 Co 類) 材料，制成各種成形拉刀( 整體式、組合式) 、高速滾刀
、剃( 插) 齒刀、絲錐、波紋刃立銑刀、成形立銑刀及滾( 擠、碾壓) 壓刀具，大量應用于轎車、摩托車、航空發動機、汽輪機等制造行業，加工高強度、高硬度鑄鐵( 鋼) 合金
、合金結構鋼( 鍛) 、耐熱合金鋼、不銹鋼、整體鋁合金 ( 熱鍛) 、高 Si-Al 合金材料工件。
根據切削加工技術不同的要求，其表面分別配涂 Ti N、Ti CN、Ti Al N、Cr N、Mo S2、Zr C 等涂層材料，滿足高速、高效、硬質精密機加工技術要求。
3 、結論
數控加工具有高速、高效和自動化程度高等特點，數控刀具材料逐漸標準化和通用化。新刀具材料在數控機床的應用越來越廣泛，發展前景廣闊。
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